Microscope électronique : Observer les atomes et jouer avec eux

L’exis­tence des atom­es a été le ter­rain d’une bataille acharnée et féroce longue de plus de deux mil­lé­naires. D’abord écrasée par le poids des philoso­phies d’Aristote et de Pla­ton – ubi major, minor ces­sat¹ – puis com­bat­tue par l’Église catholique, la philoso­phie atom­iste a fail­li dis­paraître à tout jamais.

Les atomes : une quête millénaire

Mais, comme l’histoire est sou­vent faite de coïn­ci­dences et de retours, l’essor de l’humanisme et la redé­cou­verte en 1417 par l’Italien Gian Francesco Pog­gio Brac­ci­oli­ni du seul man­u­scrit encore exis­tant du De rerum natu­ra de Lucrèce ont per­mis aux philoso­phies atom­istes de sor­tir de l’oubli et d’essaimer par­mi les élites intel­lectuelles des graines qui finirent par imprégn­er toute la société savante.

À ce pro­pos, le best-sell­er Quat­tro­cen­to de Stephen Green­blatt retrace avec élé­gance et éru­di­tion ce moment charnière de l’historique de la pen­sée humaine.

Cepen­dant, mutatis mutan­dis, la bataille des esprits était loin d’être ter­minée. Au cours des siè­cles suiv­ants, les philosophes et les sci­en­tifiques se scindèrent en deux camps : si d’un côté Galilée, Gassen­di, Boyle ou New­ton mais aus­si Marx, Engels et Niet­zsche com­mencèrent par admet­tre l’existence de petites par­tic­ules de matière dans la nature, une farouche oppo­si­tion se leva de la part d’autres émi­nents sci­en­tifiques tels que Berth­elot ou Mach ou des philosophes tels que Comte, Schopen­hauer, Hegel et Kant.

“ Planck resta longtemps réticent à l’égard de la théorie atomique ”

La cri­tique était telle­ment vir­u­lente que Boltz­mann, le père de la physique sta­tis­tique, se don­na la mort, et Planck, le père de la théorie quan­tique cor­pus­cu­laire, res­ta longtemps réti­cent à l’égard de la théorie atomique.

Il fal­lut atten­dre 1913 et la pub­li­ca­tion du livre Les Atom­es par Jean Per­rin pour que la chimère des anciens philosophes devi­enne réal­ité et l’existence de l’atome soit accep­tée par la com­mu­nauté scientifique.

L’intuition des philosophes devient réalité

Jusqu’à la sec­onde moitié du XIX^e siè­cle, la sci­ence avait pour objet d’étudier les phénomènes directe­ment per­cep­ti­bles par les sens. Comme on vient de le voir, ce par­a­digme changea à par­tir du XX^e siècle.

Mar­cellin Berth­elot s’opposa à la théorie atomique.

Néan­moins, observ­er les atom­es posait un prob­lème de taille ; cent mille fois plus petits d’un cheveu, ils ne sont pas vis­i­bles par un micro­scope optique dont la réso­lu­tion est lim­itée par les lois de la dif­frac­tion, c’est-à-dire quelques cen­taines de nanomètres (10^-9 m). Cepen­dant, à par­tir des années 1920, grâce aux intu­itions de Louis de Broglie sur la dual­ité onde-cor­pus­cule et aux élab­o­ra­tions de Bush sur la pos­si­bil­ité de con­trôler les tra­jec­toires des élec­trons avec des champs mag­né­tiques ou élec­tro­sta­tiques, les portes de Canaan com­mencèrent à s’ouvrir.

Le dépasse­ment de la réso­lu­tion optique pas­sait par le rem­place­ment de la lumière par des élec­trons et des lentilles en verre par des lentilles élec­tro­mag­né­tiques. Dès lors, la réso­lu­tion espérée (théorique) pou­vait être bien inférieure à l’ångström (10^-10 m). La mise en oeu­vre de cette idée est due au génie de Rus­ka et Knoll et mar­que la nais­sance de la micro­scopie électronique.

Bien que les pre­miers grossisse­ments aient été seule­ment de 40 x, le micro­scope élec­tron­ique était né. Néan­moins, il fal­lut atten­dre 1956, et un cer­tain nom­bre de développe­ments instru­men­taux, pour que les atom­es puis­sent être finale­ment imagés.

Descendre en résolution

Depuis les pre­mières loupes de Galilée jusqu’à leurs suc­cesseurs élec­tron­iques, descen­dre en réso­lu­tion sous les lim­ites con­nues a été, à l’évidence, la clé pour faire pro­gress­er les sci­ences, de la physique à la médecine.

En par­ti­c­uli­er, un tour­nant a eu lieu dans les années 1990 avec l’apparition de cor­recteurs d’aberration pour les lentilles élec­tro­mag­né­tiques. Cette avancée majeure est à l’origine de la micro­scopie moderne.

En fait, l’essor des nan­otech­nolo­gies et les besoins crois­sants en car­ac­téri­sa­tions struc­turales et chim­iques à l’échelle nanométrique ont imposé au cours des dernières années la néces­sité d’outils d’analyse physic­ochim­ique asso­ciant une très grande sen­si­bil­ité et une réso­lu­tion spa­tiale atomique.

De l’observation de ce qui est petit au nano-laboratoire

L’étymologie du mot micro­scope sig­ni­fie « qui per­met d’observer ce qui est petit ». Néan­moins, en quelques décen­nies, le micro­scope élec­tron­ique s’est trans­for­mé de sim­ple machine à observ­er en véri­ta­ble nano-laboratoire.

“ Il fallut attendre 1956 pour que les atomes puissent être imagés ”

Le micro­scope élec­tron­ique est devenu davan­tage un envi­ron­nement de tra­vail, de mesure et d’analyse dans lequel le développe­ment instru­men­tal est poussé vers ses derniers retranchements.

Une liste large­ment non exhaus­tive com­prend, entre autres, la pos­si­bil­ité de car­togra­phi­er au sein de la matière la posi­tion des atom­es qui la con­stituent avec une réso­lu­tion de l’ordre du ray­on atom­ique (0,5 Å ou 5 x 10^-11 m), de déter­min­er la nature de leurs liaisons chim­iques, de recon­stru­ire la mor­pholo­gie des nano-objets en trois dimen­sions, de mesur­er la charge élec­trique et sa dis­tri­b­u­tion spa­tiale, de mesur­er les con­traintes ou encore de faire des car­togra­phies mag­né­tiques à l’échelle nanométrique.

Sur les épaules des géants : un regard vers l’avenir

“ Le nouvel Eldorado est devenu la microscopie électronique in situ ”

Nous emprun­tons cette métaphore à Bernard de Chartres, maître du XII^e siè­cle, pour soulign­er qu’en recherche chaque acquis n’est rien d’autre que le point de départ pour d’autres recherch­es : cela per­met de repouss­er con­stam­ment les lim­ites de la connaissance.

D’autre part, la sagesse pop­u­laire déclare habituelle­ment que voir c’est croire. Quoi de mieux alors que de pou­voir observ­er avec une réso­lu­tion spa­tiale, tem­porelle et énergé­tique ultime et en temps réel l’évolution de la mor­phologique d’un nano-objet ou de ses pro­priétés physic­ochim­iques à l’endroit où le phénomène se déroule (sans prélever ni déplac­er l’échantillon) ? Cela don­nerait la pos­si­bil­ité de com­pren­dre le com­porte­ment dynamique des matériaux.

Pour cette rai­son, le nou­v­el Eldo­ra­do est devenu la micro­scopie élec­tron­ique in situ.

Les nou­veaux développe­ments instru­men­taux per­me­t­tent désor­mais d’étudier la crois­sance des nano-objets en phase vapeur, de faire de la micro­scopie en milieu liq­uide, de cou­pler la micro­scopie élec­tron­ique et optique (cor­réla­tive), de dévelop­per de nou­velles spec­tro­scopies com­bi­nant pho­tons et élec­trons, de faire des irra­di­a­tions ion­iques dans un micro­scope tout en regar­dant l’évolution des défauts d’irradiation…

C’est le voy­age au pays d’Alice.

La microscopie électronique à l’X

“ Tempos a pour ambition d’accélérer l’émergence d’applications réelles ”

Dans l’environnement en pleine effer­ves­cence de la nou­velle uni­ver­sité Paris- Saclay est né le pro­jet de Cen­tre inter­dis­ci­plinaire de micro­scopie élec­tron­ique de l’École poly­tech­nique, le Cimex. Créé en 2010, le Cimex a pour objec­tif de dévelop­per l’enseignement de la micro­scopie élec­tron­ique aus­si bien dans le cadre des mas­ters 2 en nanosciences et en biolo­gie que dans celui des Modals (unité d’enseignement pra­tique et théorique).

Con­traire­ment aux travaux pra­tiques tra­di­tion­nels dont le but est de valid­er la théorie enseignée préal­able­ment en cours, le Modal adopte une démarche inspirée de la recherche qui con­siste d’abord à apprivois­er un phénomène expéri­men­tal et à ensuite chercher une expli­ca­tion théorique.

Créer un centre de classe mondiale

Le micro­scope NanoMAX per­met de voir les nanos­truc­tures se for­mer atome par atome (www.fei.com).

Par ailleurs, le Cimex est forte­ment impliqué dans le pro­jet d’équipement d’avenir EquipEx Tem­pos (Trans­mis­sion Elec­tron Microscopy at Palaiseau Orsay Saclay). En s’inscrivant dans le pro­jet de créa­tion de la nou­velle uni­ver­sité Paris-Saclay, Tem­pos est né de la volon­té de l’École poly­tech­nique , asso­ciée à l’université Paris-Sud (organ­isme por­teur), au CNRS et au CEA, de créer un cen­tre de classe mon­di­ale en micro­scopie élec­tron­ique en transmission.

En visant une com­préhen­sion large­ment améliorée des mécan­ismes de crois­sance et des pro­priétés optiques et élec­tron­iques des nanoob­jets, Tem­pos a pour ambi­tion d’accélérer l’émergence d’applications réelles.

Un tel trans­fert de con­nais­sances et de tech­nolo­gie sera favorisé par la présence de lab­o­ra­toires privés indus­triels (Thales RT, Saint-Gob­ain Recherche, Total) ou d’unités mixtes (Thales-CNRS, Saint- Gob­ain CNRS SVI).

S’insérant dans le tri­an­gle de la sci­ence des matéri­aux (crois­sance-car­ac­téri­sa­tion-pro­priétés), le pro­jet Tem­pos s’articule selon trois axes : l’étude in situ de la crois­sance de nano-objets à l’échelle atom­ique (pro­jet NanoMAX), l’étude in situ des pro­priétés optiques et spec­tro­scopiques des nano-objets à l’échelle sub­nanométrique (Chro­maTEM), et enfin la car­ac­téri­sa­tion cristal­lochim­ique des nano-objets à l’échelle atom­ique (Nan­oTEM).

Atome par atome

L’École poly­tech­nique pilote et héberge le pro­jet NanoMAX, dont la grande orig­i­nal­ité réside dans le fait d’apporter, sous le fais­ceau élec­tron­ique, la matière à l’échantillon atome par atome, d’une manière très con­trôlée : par des fais­ceaux molécu­laires (épi­tax­ie par jets molécu­laires – MBE) ou par des fais­ceaux de rad­i­caux gazeux (dépôt chim­ique en phase vapeur – CVD – assisté).

Ces deux spé­ci­ficités sont uniques au monde. Les études dans lesquelles s’insère NanoMAX ont pour objec­tif de décou­vrir et dévelop­per de nou­veaux objets fonc­tion­nels, pou­vant servir dans des macrodis­posi­tifs (par exem­ple des cath­odes à effet de champ pour émet­teurs de puis­sance, ou des cel­lules pho­to­voltaïques inté­grant des nanomatéri­aux) ou bien pour dévelop­per des nan­odis­posi­tifs tels que cap­teurs chim­iques et biologiques, nan­otran­sis­tors ou nanolasers.

NanoMAX pos­sède notam­ment une artic­u­la­tion avec un autre pro­jet EquipEx, le pro­jet Sense-City qui vise à équiper la ville du futur d’un ensem­ble de cap­teurs de tous types per­me­t­tant de suiv­re en temps réel un ensem­ble de paramètres allant du taux de fréquen­ta­tion de sites, à l’évolution de la pol­lu­tion jusqu’au vieil­lisse­ment du béton.

La micro­scopie élec­tron­ique a de beaux jours devant elle – et les micro­scopistes aussi.

_______________________________________
L’auteur tient à remerci­er Odile Stéphan, respon­s­able de l’équipe X‑Tempos, Jean-Luc Mau­rice, respon­s­able du pro­jet NanoMaX, ain­si que ses col­lègues Pierre-Eugène Coulon et Math­ias Kobylko.
1. Le faible capit­ule devant le fort.
2. Il y a beau­coup de place en bas.

---

Articles similaires :

Les lasers à cas­cade quan­tique et le groupe de Capasso La spin­tron­ique dans les cap­teurs spa­ci­aux et dans les lasers Les nan­otech­nolo­gies pour demain et après-demain Le lab­o­ra­toire PMC : réu­nir chimistes et physiciens Nanobi­olo­gie : com­pren­dre le vivant et agir sur lui Des atom­es aux dis­posi­tifs quantiques